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東海專欄
工具機自動化與智慧化 融合的實體系統
2019.07.15∣瀏覽數:236

回顧1990年代的電腦整合製造系統(CIMS,Computer Integrated Manufacturing System)、設備連線即時管理系統 (EMS,Equipment Management System),是運用資訊科技來強化工廠管理的自動化,當時的彈性製造系統(FMS,Flexible Manufacturing System)則是多樣少量生產自動化的解決方案。

2011年,德國科技院(ACATECH)提出工業4.0,則是用製造能力解決市場不確定,智慧製造是解決的方案。而「生產製造設備的智慧能力」,以及「滿足顧客需要的調適能力」是大量客製化(mass customization)的課題、製造業的挑戰。

自動化的方案,用控制設備的方式確保計畫執行,運作期間若發生問題,則自動報警並停機,快速排除後繼續執行任務。然而市場不確定的因素瞬息萬變,自動化與彈性化已無法徹底解決現在的難題,需要再融合以數據分析決策的智慧能力。自動化與智慧化融合的實體系統,能預知設備異常提前改善或先期採取對策,創造更大的價值。

工具機的實體系統

工具機產品,從人和馬匹的勞動被機械力取代的機械化階段, 再到運用電力滿足大量生產的電氣化階段;當電腦崛起普及後, 機械與電腦融合的數值控制器,可即時取得資料達到監控,此時邁入數位化階段,以及最近應用網路技術搭配感測器,即時取得 設備訊息的數據,改善產銷瓶頸,創造新價值的智慧化階段。這四個階段的目的,可用省人力的自動化,和提高應變力的智慧化來說明。如上圖,在生產製造領域,工業4.0 的變革,是在自動化的基礎上,增加智慧化的功能。

將數值控制器裝在機器上,提高生產精度和效率,設備搭配自動上下料的自動化整合技術,可以節省人力,這是將資訊工具運用到生產設備的自動化方案。

自動化生產線方案,根據生產樣式多寡和批量大小的需要,有單樣大批量的自動產線,和多樣小批量的彈性產線。自動化的技術創新,在機器層,需要有順序控制、自動報警和運轉狀態監視的功能。數台單機連成的產線層,則需要設備整合、產線管理、狀 態監控、彈性派工以及產線連網上傳生產資 訊的功能。

工業4.0的智慧化變革,是大量訂製、提高顧客調適能力的解決方案。智慧生產是在自動化基礎下,融入資料收集、加工優化的設備健康管理和預診功能,透過設備連網,將生產實態上傳,結合生產需求透過運算,能自動排程與最佳配置,少量多樣也能發揮最大產能,具有分析決策的智慧能力。

從價值提升到價值創造

早期的自動化是用I/O(輸入/輸出)點來控制 機械,並搭配序列埠(Serial port,如RS232)做資料上傳、下載。1980年代起,機 器使用步進馬達、伺服馬達、NC、PLC、 CNC等產品和技術,提高機器產品的自動化 程度。從1990年代起,再增加電腦技術和整 合技術的應用,將機器連結起來成為CIMS成員之一的自動化產線。

自動化的設備或產線,偵測到故障信號, 會自動停機、報警,待故障排除後才能繼續 生產。設備或產線運轉期間,收集來的運轉 資料,經分析可以得到生產稼動率,故障率等產能的績效指標。降低人力、縮短故障等 待維修時間、提升產能是自動化的目標。隨 著控制軟體開放、硬體升級,自動化能力越來越好,整合的深度越來越深、範圍越來越廣,現在比過去更快更好,大幅提升整合的 效益。

設備的智慧化是在數值控制的基礎下, 將影響設備運作的參數數位化,如將溫度變 化、變形、振動、液體壓力、電流等設備運 轉的控制器外部數據採集起來。控制器可以 掌握的的內部數值、操作指令與情境,屬於 控制器內部數據。將外部數據與內部數據結 合起來,這些資料經過演算,可以預測未來 可能的問題,並提出建議與對策。如發現加 工有劣化的趨勢,則控制器自動修正加工參 數,提升加工速度或精度,讓加工有更好的 效果。若發現設備狀態有異常,表示設備的 健康將要有問題,則提前預警,利用生產排 程空擋,停機保養與檢修設備。設備智能化 的健康管理,可以消除無預警的停機,產能 和交期可以得到保證。

產線上設備層的加工時態和操作情境資 料,透過網路上傳,除了被即時監控,更能 應用收集的狀態資料,透過決策系統微調排程計畫,甚至自動修正排程,讓產線以最佳 的方式貢獻產能,這是產線的智慧化價值。

偵測到故障訊息,讓設備或產線在最短 時間內恢復生產;大量且重複的工作用機 械力取代人力,在控制技術升級與開放的條 件下,控制數據可以在更短時間內收集與下 達,自動化的生產價值大幅提升。運用設備 或產線狀態的數據,做好檢康管理,自動決 策與最佳配置與排程能實現,採集並應用設 備運作數據,讓變化不會影響生產計畫,智 慧化可以創造比自動化更多的價值。

實體系統是智慧製造創造價值的關鍵

實體系統(Physical Systems)具有數位 化、連結化、智慧化的功能(參閱《面對未 來的智造者-工業4.0的困惑與下一波製造業 再興》大寫出版,2018年10月),可以將設 備層與產線層的控制數據和運作數據,即時 上傳到智慧製造的資料庫。

人工智慧(AI,Artificial Intelligence)給的 資料越多,它就會變得越聰明,且學習更 快,發揮的價值就越大。所以AI必須要有計 畫與預測資料,以及收集回來可以信賴的實 際資料等大數據(Big data)。大數據是指要 有即時正確與豐富的資料,實體系統是提供 設備與產線製造大數據的實際資料。如前所 述,實體系統能夠即時充分掌握,設備和產 線的控制和運轉數據,讓運用AI技術的智慧 製造發揮更大的價值。
東海大學精實系統團隊核心成員。歷任連豐機械設計工程師,友嘉實業研發部課員、課長、經理、 協理,事業部副總經理等職務。大型研發專專案的FMS主導性新產品、五軸加工技術暨加工機業 實踐與輔導。 界科專計劃主持人。近年積極致力於工具機業,精實製造管理、產品開發管理與電腦系統導入之實踐與輔導。